CN112113735A - 多点高速瞬态冲击加载的测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多点高速瞬态冲击加载的测试系统，包括子弹发射装置、输入杆、应变片、带多个凸台的套筒、高速摄像机和脉冲收集处理系统；子弹发射装置的发射出口正对输入杆的一个端面，输入杆的圆柱面上贴有应变片，带多个凸台的套筒套接固定在输入杆另一端，套筒的凸台上贴有用于测试应力波的长度和幅值的应变片，待测试的电子功能模块贴装于凸台上，高速摄像机对受高速瞬态冲击后飞出的电子功能模块的运动形态进行记录拍摄，脉冲收集处理系统采集应变片的应力数据，本发明能对电子元器件功能模块或材料试样的多点高速瞬态冲击加载，以获得电子功能模块或材料试样在多点冲击加载下的振动弯曲响应及破坏特征或电子功能模块电路损伤特征。

Description

多点高速瞬态冲击加载的测试系统

技术领域

本发明属于冲击动力学的技术领域，具体涉及一种多点高速瞬态冲击加载的测试系统。

背景技术

在实际应用中，电子元器件功能模块常以两点或多点螺栓或焊点的形式与周围高速受冲击弹体相连接，常受到高速冲击载荷，在高速冲击载荷作用下发生动态弯曲，在某种极限载荷下，发生电路损伤失效，从而影响到电子元器件的正常使用。因此，实现对电子元器件功能模块的多点高速瞬态冲击加载对研究其力学性能及其电路损伤特征有着重要意义。

目前而言，国内外研究人员主要用跌落/冲击试验对电子元器件的力学性能进行分析，该试验主要原理是将试样以一定的姿态固定在跌落测试平台上，使其沿导杆向下跌落，撞击一个刚性面，以此来模拟电子元器件功能模块在跌落或者受到冲击时其内部的各组成部分的受力情况。Lim C.T和Low Y.J等人进行了一系列的跌落冲击试验，对比了电子元器件在不同的冲击方向和跌落高度下的力学响应。新加坡国立大学的Tong Yan Tee等人通过冲击试验和分析发现冲击过程中芯片的惯性力和基板的反复弯曲变形是使得电子元器件功能模块中的焊料层失效主要原因。

尽管跌落/冲击试验已经日趋成熟，但是对于电子元器件而言，这些试验所得到的有关力学响应信息较少；一些器件的关键部位结构复杂，并不适合贴装传感器，无法进行有效测量，除此之外，现有的跌落/冲击试验受到其跌落高度的限制，并不能提供较大的冲击速度，对于研究高速冲击状态下电子元器件的力学响应问题并不适用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多点高速瞬态冲击加载的测试系统，能够实现对电子元器件功能模块或材料试样的多点高速瞬态冲击加载，以获得电子功能模块或材料试样在多点冲击加载下的振动弯曲响应及材料试样的破坏特征或电子功能模块的电路损伤特征。

实现本发明的技术方案如下：

多点高速瞬态冲击加载的测试系统，包括子弹发射装置、输入杆、应变片、带多个凸台的套筒、高速摄像机和脉冲收集处理系统；

所述子弹发射装置的发射出口正对输入杆的一个端面，输入杆的圆柱面上贴有应变片，带多个凸台的套筒套接固定在输入杆另一端，套筒的凸台上贴有用于测试应力波的长度和幅值的应变片，待测试的电子功能模块贴装于凸台上，高速摄像机对受高速瞬态冲击后飞出的电子功能模块的运动形态进行记录拍摄，脉冲收集处理系统采集应变片的应力数据。

进一步地，所述套筒上的凸台数量为2个、4个或5个。

进一步地，从输入杆透射入套筒中的应力波幅值P₁与套筒中的粒子速度u₁分别为：

其中，ρ₁为子弹和输入杆的密度，c₁为应力波在子弹和输入杆中的传播速度，A₁为子弹和输入杆的端面面积，ρ₂为套筒密度，c₂为应力波在套筒中的传播速度，A₂为套筒端面面积，子弹以速度υ撞击输入杆；

当套筒和输入杆的材料相同时，有：

进一步地，当套筒带有n个凸台，所有凸台的截面积之和为A_n，则从套筒透射入凸台的应力波幅值P₂与凸台中的粒子速度u₂：

当套筒和输入杆的材料相同时，有

有益效果：

本发明通过多点加载的方式准确的还原了电子器件在实际应用中的受力情况，能够对受载电子元器件提供较大的冲击加载速度，打破了传统跌落试验的局限。

附图说明

图1为本发明多点高速瞬态冲击加载的测试系统示意图。

图2为带双凸台套筒示意图。

图3为带四凸台套筒示意图。

图4为带五凸台套筒示意图。

其中，1-子弹，2-输入杆，3-应变片，4-带多个凸台的套筒，5-待测试的电子功能模块，6-高速摄像机，7-脉冲收集处理系统。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了多点高速瞬态冲击加载的测试系统，包括子弹发射装置、输入杆2、应变片3、带多个凸台的套筒4、高速摄像机6和脉冲收集处理系统7；

本发明系统可在传统的分离式霍普金森杆装置的基础上进行改装，如图1所示，舍去输出杆，保留子弹1和输入杆2；套筒4外径略大于输入杆2直径，被冲击加载的试样贴装于凸台上。冲击加载过程中，子弹1以一定速度撞击输入杆2自由端，引起双向传播的弹性压缩波；由于套筒4和输入杆2采用固联方式，当弹性压缩波通过入射杆向前传播至输入杆和套筒界面时，弹性压缩波可以直接透射进入套筒，贴装于凸台上的试样受到高速冲击加载后向前飞出。其中，可通过对套筒上凸台的数目、位置、直径的设计，实现冲击加载载荷幅值和载荷脉冲长短的控制；此外，凸台所对应的瞬态冲击载荷的大小-时间历史可以依据通过在入射杆和凸台上应变片测量的应变时间历史精确确定；试样飞出后的弯曲振动形态可以由高速摄像机进行拍摄，对试样进行回收以对其破坏特征及电路损伤特征进行相应的力学分析。

与传统基于霍普金森杆的动态压缩试验相同，对试样进行多点高速瞬态冲击加载的装置也是利用子弹撞击输入杆而产生压力脉冲。图2、图3及图4分别为双凸台套筒、四凸台套筒示及五凸台套筒意图，套筒由凸台与用于与输入杆固连的空心圆柱部分构成。套筒外径仅比输入杆直径稍大。

在进行多点高速瞬态冲击过程中，子弹以一定速度撞击输入杆产生一个弹性压缩波；由于套筒与输入杆采用固连的方式，弹性压缩波通过输入杆向前传播至输入杆和套筒界面时，可以直接由输入杆透射入套筒内。套筒的外径仅比输入杆直径稍大，可忽略应力波在传播过程中的横向惯性效应，该过程可用一维应力波的初等理论对加载过程进行分析。当压力脉冲传入凸台时，由于横截面积的改变，应力波的长度和幅值与均会发生变化，用贴装于凸台上的应变片和脉冲收集处理系统可以进行相应的测量和计算。试样受到多点高速瞬态冲击加载后，在发生振动弯曲的同时会向前飞出，高速摄像机对试样的运动形态进行记录拍摄。在对试样进行回收后可以进行相应的损伤变形分析，以获得试样在多点高速瞬态冲击下的薄弱部分及损伤特征，为电子元器件力学性能设计提供参考依据。

此外，根据应力波传播理论，可以精确推导出子弹以一定速度撞击输入杆时，凸台所对应的冲击载荷的大小-时间历史，明确了此时电子元器功能模块所受到的冲击载荷幅值大小，为对其的力学性能分析提供了理论支撑；当在多点冲击加载试验中，需要电子元器件功能模块承受特定幅值的载荷时，便可根据该载荷的幅值确定此时所需子弹的撞击速度，有效提高了该测试系统的可设计性与可控制性。

推导出的套筒及凸台所对应的瞬态冲击载荷的大小-时间历史相关公式如下：

设子弹、输入杆的密度均为ρ₁，应力波在子弹和输入杆中的传播速度为c₁，子弹和输入杆的端面面积均为A₁；套筒密度为ρ₂，应力波在套筒中的传播速度为c₂，套筒端面面积为A₂。子弹长度为l，以速度υ撞击输入杆，产生一个弹性压缩脉冲，其脉冲长度λ、幅值P及杆中粒子速度u分别为

可得从输入杆透射入套筒中的应力波幅值P₁与套筒中的粒子速度u₁：

当套筒和输入杆的材料相同时，有：

设套筒带有有n个凸台，所有凸台的截面积之和为A_n，可得从套筒透射入凸台的应力波幅值P₂与凸台中的粒子速度u₂：

当套筒和输入杆的材料相同时，有

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多点高速瞬态冲击加载的测试系统，其特征在于，包括子弹发射装置、输入杆、应变片、带多个凸台的套筒、高速摄像机和脉冲收集处理系统；

所述子弹发射装置的发射出口正对输入杆的一个端面，输入杆的圆柱面上贴有应变片，带多个凸台的套筒套接固定在输入杆另一端，套筒的凸台上贴有用于测试应力波的长度和幅值的应变片，待测试的电子功能模块贴装于凸台上，高速摄像机对受高速瞬态冲击后飞出的电子功能模块的运动形态进行记录拍摄，脉冲收集处理系统采集应变片的应力数据。

2.如权利要求1所述的一种多点高速瞬态冲击加载的测试系统，其特征在于，所述套筒上的凸台数量为2个、4个或5个。

3.如权利要求1所述的一种多点高速瞬态冲击加载的测试系统，其特征在于，从输入杆透射入套筒中的应力波幅值P₁与套筒中的粒子速度u₁分别为：

其中，ρ₁为子弹和输入杆的密度，c₁为应力波在子弹和输入杆中的传播速度，A₁为子弹和输入杆的端面面积，ρ₂为套筒密度，c₂为应力波在套筒中的传播速度，A₂为套筒端面面积，子弹以速度υ撞击输入杆；

当套筒和输入杆的材料相同时，有：

4.如权利要求3所述的一种多点高速瞬态冲击加载的测试系统，其特征在于，当套筒带有n个凸台，所有凸台的截面积之和为A_n，则从套筒透射入凸台的应力波幅值P₂与凸台中的粒子速度u₂：

当套筒和输入杆的材料相同时，有

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